Биофизика.

Биофизика – раздел физики, занимающийся изучением физических основ биологических явлений и закономерностей.

По уровню организации живой материи:

• молекулы биофизика молекулы

• одноклеточные организмы

• клетки

• ткани биофизика клетки

• органы

• организмы

• популяции

• биоценозы биофизика сложных систем

• биосфера

Молекулярная биофизика – раздел биофизики, занимающийся изучением строения и физико-химических свойств биологически функциональных макромолекул (белков и нуклеиновых кислот).

Основная задача: раскрыть физический механизм, лежащий в основе биологической активности макромолекул.

Клеточная биофизика – раздел биофизики, занимающийся изучением строения и функционирования клеток и их совокупностей.

Основные задачи: изучение физики биомембран и биоэнергетических процессов (генерация и распространение нервных импульсов, мышечное сокращение, фотосинтез, зрение и т.д.).

Биофизика сложных систем – раздел биофизики, занимающийся изучением процессов, протекающих на высоких уровнях организации живой природы, а также некоторых процессов, протекающих на всех уровнях (биоэнергетические явления, процессы биологической эволюции, биологические колебательные процессы и т.д.).

Теоретический аппарат включает и термодинамику.

Биомембраны. Структура и функциональная роль.

1. Функции и задачи биомембран.

2. Размеры, химический состав и строение биомембран.

3. Асимметрия биомембран.

4. Силы, стабилизирующие мембранные структуры.

5. Физическое строение биомембран.

6. Методы анализа структуры биомембран.

Функции и задачи биомембран.

Биомембраны выполняют двойную функцию:

1. Поддерживают целостность клетки, обособленность от окружающей среды, автономность внутреннего устройства.

2. Осуществляют постоянный обмен с окружающей средой (энергией, веществом, информацией).

Изучение биомембран важно для понимания жизнедеятельности организма в норме, для выяснения механизма патологии и для верного подхода к созданию комплекса врачебных мероприятий.

Задачи биомембран:

1. Транспорт веществ.

2. Обеспечение основных биоэнергетических процессов (синтез АТФ при окислении фосфолипидов, генерация биопотенциалов, распад АТФ при нервно-мышечной деятельности).

3. Участие во всех видах рецепции.

Различают клеточную (плазматическую) и внутриклеточные биомембраны.

Размеры, химический состав и строение биомембран.

Биомембраны – надмолекулярные структуры. Их толщина очень мала (10 нм). Они представляют собой двумерные структуры.

Химический состав: липиды (40%) и белки (60%) – количественное соотношение варьирует. Биомембраны, в большинстве своём, гетерогенны. Но есть и относительно простые биомембраны. Например, белковая часть внутриклеточных мембран палочек сетчатки содержит всего один белок – родопсин.

Структурной основой биомембран являются липиды, большую часть которых составляют фосфолипиды. Общая структура фосфолипида:

1. Остаток спирта (Х).

2. Углеводные цепочки, остатки высших жирных кислот (R₁ и R₂).

3. Спирт глицерин.

4. Остаток фосфорной кислоты.

О

||

ОН ­ Р ­ О ­ Х

|

О

| Гидрофильная

СН₂ ­ СН ­ СН₂ часть

| |

О О

| |

С = О С = О

| |

R₁ R₂ Гидрофобная часть

Все фосфолипиды содержат полярную гидрофильную головку и два неполярных гидрофобных хвоста, следовательно, проявляют амфофильные свойства.

В 1972 году Зингер и Николсон предложили Мозаичную модель биомембран, популярную и по настоящее время. Согласно этой теории, структурной основой биомембран является двойной липидный слой, в котором гидрофобные хвосты обращены внутрь биомембран и образуют единую углеводородную фазу, а полярные головки находятся снаружи, по обе поверхности билипидного слоя. Схематически:

Этот билипидный слой инкрустирован молекулами белка, которые делят на периферические и интегральные.

Периферические белки – белки, которые целиком расположены на гидрофильной части слоя, т.е. только на поверхности мембран.

Интегральные белки – белки, имеющие участки гидрофобной поверхности, они погружены на различную глубину в билипидный слой. Некоторые белки пронизывают мембрану насквозь и называются прошивающими.

С учётом белкового компонента, схема примет вид:

- периферический белок

- интегральный белок

- прошивающий белок

Асимметрия биомембран.

Как белковый, так и липидный состав биомембран неодинаков. Фосфолипидные слои отличаются относительным содержанием компонентов, а расположение белков в зависимости от слоя имеет принципиальные, качественные отличия.

Например, в плазматических мембранах к внутренней стороне примыкает больше белков-ферментов, а к наружной – больше белков узнавания и оборонительных белков.

Сравним Мозаичную модель Зингера-Николсона с «Бутербродной» моделью Даниэли и Дайсона: принцип расположения липидов одинаковый. Однако в «Бутербродной» модели все белки – гидрофилы, а, следовательно, расположены только на поверхности мембраны, по обе стороны от билипидного слоя, т.е. возникает двусторонняя симметрия. Схема «Бутербродной» модели: